สื่อการเรียนการสอนวิชาไฟฟ้ากระแสสลับ

ส่ือการเรียนการสอนวชิ าไฟฟ้ ากระแสสลับ จดั ทาโดย นางสาวปรัศนี จันทร์ขาม แผนกอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ชัน้ ปวช.2 เสนอ อาจารย์ นริศรา ทองยศ รายงานนีเ้ ป็ นชนิ้ ส่วนของวชิ าคอมพวิ เตอร์ และสนทนาเทศการอาชพี วทิ ยาลัยเทคโนโลยีและการจดั การหนองสอง ห้อง

ไฟฟ้ ากระแสสลบั ไฟฟ้ ากระแสสลบั (Alternating current) ไฟฟ้ ากระแสสลบั (Alternating current) หมายถงึ “กระแสไฟฟ้ าทม่ี กี ารสลบั สับเปลย่ี นข้ัวอยู่ตลอดเวลาอย่างสม่าเสมอ ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ ากจ็ ะเปลย่ี น สลบั ไปมาจากบวก-ลบ และจากลบ-บวก อยู่ตลอดเวลา” ซ่ึงไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็นไฟฟ้ าที่ใชก้ นั ตามบา้ นเรือน อุตสาหกรรมทวั่ ไป แหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็นกระแสไฟฟ้ าที่เกิดจากการเคลือ่ นท่ีของอิเลก็ ตรอนจากแหล่งจา่ ยไฟไปยงั อุปกรณไ์ ฟฟ้ าใดๆ โดยมีการเคล่อื นที่กลบั ไปกลบั มาตลอดเวลา สาหรับ แหล่งจ่ายไฟน้นั มาจากเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดหน่ึงเฟสหรือเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดสามเฟส 1. ไฟฟ้ ากระแสสลบั เฟสเดียว (Single Phase) ลกั ษณะการเกิดไฟฟ้ ากระแสสลบั คอื ขดลวดชุดเดียวหมุนตดั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ เกิดแรงดนั กระแสไฟฟ้ า ทาใหก้ ระแสไหลไปยงั วงจร ภายนอก โดยผา่ นวงแหวน และแปลงถา่ นดงั กล่าวมาแลว้ จะเห็นไดว้ า่ เมือ่ ออกแรงหมุนลวดตวั นาได้ 1 รอบ จะไดก้ ระแสไฟฟ้ าชุดเดียวเท่าน้นั ถา้ ตอ้ งการใหไ้ ดป้ ริมาณกระแสไฟฟ้ าเพิ่มข้ึน ก็ตอ้ งใชล้ วดนา หลายชุดไวบ้ นแกนที่หมุน ดงั น้นั ในการออกแบบขดลวดของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ถา้ หากออกแบบ ขดลวดบนแกนใหเ้ พม่ิ ข้ึนอีก 1 ชุด แลว้ จะไดก้ าลงั ไฟฟ้ าเพ่ิมข้ึน

2. ไฟฟ้ ากระแสสลบั สามเฟส (Three Phase) เป็นการพฒั นามาจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดสองเฟส โดยการออกแบบจดั วางขดลวดบนแกนที่หมุน ของเคร่ืองกาเนิดน้นั เป็น 3 ชุด ซ่ึงแต่ละชุดน้นั วางห่าง กนั 120 องศาทางไฟฟ้ า ไฟฟ้ ากระแสสลบั ที่ใชใ้ นบา้ นพกั อาศยั ส่วนใหญ่ใชไ้ ฟฟ้ ากระแสสลบั เฟสเดียว (SinglePhase) ระบบการส่งไฟฟ้ าจะใช้ สายไฟฟ้ า 2 สายคือ สายไฟฟ้ า 1 เสน้ และสายศูนย์ (นิวทรอล) หรือเราเรียกกนั วา่ สายดินอีก 1 สาย สาหรับบา้ นพกั อาศยั ในเมืองบางแห่งอาจจะ ใชเ้ คร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าชนิดพิเศษ จะตอ้ งใชไ้ ฟฟ้ าชนิดสามเฟส ซ่ึงจะให้ กาลงั มากกวา่ เช่น มอเตอร์เคร่ืองสูบน้าในการบาบดั น้าเสียลิฟตข์ องอาคารสูง ๆ เป็นตน้ การไหลของกระแสสลบั กลบั ไปกลบั มาครบ 1 รอบ เรียกวา่ 1 ไซเคลิ (Cycle) หรือ 1 รูปคล่ืน และจานวน รูปคล่ืนท้งั หมดในเวลาที่ผา่ นไป 1 วินาที เรียกวา่ ความถี่

(Frequency) ซ่ึงความถ่ีไฟฟ้ ามีหน่วยวดั เป็น รอบต่อวินาที หรือ รูปคล่ืนต่อวนิ าที หรือไซเคิลต่อ วนิ าที มีหน่วยยอ่ เป็น \"เฮิรตซ\"์ (Hertz) สาหรับความถ่ีไฟฟ้ าในประเทศไทยเท่ากบั 50 เฮิรตซ์ สาหรับบางประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา จะมีค่า 60 Hz ไฟฟ้ ากระแสสลบั ที่มีรูปคลนื่ ของกระแสไฟฟ้ าเพียง 1 รูปคล่ืน เราเรียกวา่ ไฟฟ้ ากระแสสลบั 1 เฟส (Single phase) และถา้ เครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากาเนิดไฟฟ้ าออกมา พร้อมกนั 2 รูปคลื่น เราก็เรียกวา่ ไฟฟ้ ากระแสสลบั 2 เฟส และถา้ มี 3 รูปคลื่น เราก็เรียกวา่ ไฟฟ้ ากระแสสลบั 3 เฟส ดงั รูปเป็น ไฟฟ้ ากระแสสลบั 3 เฟส ซ่ึงเรานิยมใชก้ นั อยใู่ น ปัจจบุ นั เพราะใหแ้ รงดนั ไฟฟ้ าได้ 2 ระดบั คือ 380 โวลต์ และ 220 โวลต์ รูปคลื่นแตล่ ะรูปคลน่ื เรียกวา่ เฟสA เฟสB และเฟส C ตามลาดบั แบตเตอร่ี เป็นแหลง่ กาเนิดไฟฟ้ าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้ า (emf) คา่ สม่าเสมอและมีค่าคงตวั ส่วนแหล่งกาเนิด ไฟฟ้ ากระแสสลบั (ac source)เป็นแหลง่ กาเนิดไฟฟ้ าท่ีจา่ ย แรงเคลื่อนไฟฟ้ า (emf) หรือแรงดนั ไฟฟ้ า (Voltage) เปลย่ี นแปลงตามเวลา(ในรูปฟังกช์ นั sine ของ ωt )

คุณสมบตั ขิ องไฟฟ้ ากระแสสลบั 1. สามารถส่งไปในที่ไกล ๆ ไดด้ ี กาลงั ไม่ตก 2. สามารถแปลงแรงดนั ใหส้ ูงข้ึนหรือต่าลงไดต้ ามตอ้ งการโดยการใชห้ มอ้ แปลง (Transformer) อปุ กรณ์ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ตวั ตา้ นทาน (Resistor : R) ค่าความตา้ นทานมีหน่วยเป็น โอหม์ (Ohm : Ω) สัญลกั ษณ์ท่ีใชใ้ นวงจร ตวั เกบ็ ประจุ (Capacitor : C) ค่าความจุไฟฟ้ ามีหน่วยเป็น ฟารัด (Farad :F)

สัญลกั ษณ์ท่ีใชใ้ นวงจร ขดลวดเหน่ียวนา (Inductor : L) ค่าความเหน่ียวนามีหน่วยเป็น เฮนรี (Henry : H) สญั ลกั ษณ์ที่ใชใ้ นวงจร เฟส และมุมเฟส เฟส (Phase)

เม่ือเขียนกราฟระหวา่ ง sinωt กบั t จะเรียกตาแหน่งตา่ ง ๆ บนเส้นกราฟวา่ เฟส(phase)โดยที่ ท่ีเวลา t = 0 ค่า sinωt มีคา่ เป็นศูนย์ จะมีเฟสเทา่ กบั ศนู ยแ์ ละเมื่อเวลาผา่ น ไป sinωt มีค่าสูงสุดเป็นคร้งั แรก (จุด A) จะมีเฟส เท่ากบั π/2 เฟสนาและเฟสตาม เม่ือเทยี บกบั sinωt แลว้ จะมีเฟสตามอยู่ π/2 เรเดียน

เมื่อเทียบกบั sinωt แลว้ จะมีเฟสนาอยู่ π/2 เรเดียน มมุ เฟส (Phase angle)



ตวั เกบ็ ประจุ C ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ทาใหก้ ระแสมีเฟส นา Voltage อยู่ 90° เนื่องจากกระแสท่ีไหลผา่ นตวั เก็บประจุจะทาใหเ้ กิดประจสุ ะสมที่เพลทของตวั เกบ็ ประจุเป็นผลใหเ้ กิด Voltage ตก คร่อมตวั เกบ็ ประจุซ่ึงเป็นสดั ส่วนโดยตรงกบั ประจทุ สี่ ะสม (V = q/C)และกระแสจะไหลไดน้ อ้ ยลงเม่ือมีประจุสะสมมากข้ึน ขดลวดเหน่ียวนา L ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ทาใหก้ ระแสมีเฟสตาม Voltage อยู่ 90°

Inductivereactance, XL = ωL Capacitive reactance, XC = 1/ωC ไฟฟ้ ากระแสตรง ω = 0 XL = 0Ω และ XC = ∞ วงจรไฟฟ้ าทม่ี ีตวั ต้านทาน (R) อย่างเดยี ว แรงดนั ไฟฟ้ าคร่อมตวั ตา้ นทานไฟฟ้ าจะมีค่าเปลย่ี นแปลงเหมือนกบั กระแสไฟฟ้ า I = V/R = Imax sinωt การ เปล่ียนแปลงของแรงดนั ไฟฟ้ ามีเคร่ืองหมายเหมือนกบั การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้ าแรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ ามีเฟส ตรงกนั (in phase) และแอมพลิจดู อยทู่ ี่เวลาเดยี วกนั พจิ ารณาวงจรไฟฟ้ าท่ีมีเพยี งแหลง่ กาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั และตวั ตา้ นทานตวั เดยี วจะพบวา่ กระแสที่ไหลผา่ นวงจร เป็ นตามสมการ ให้ i = กระแสไฟฟ้ าขณะใด ๆ ในวงจร R = ค่าความตา้ นทาน VR = ความต่างศกั ยท์ ี่ตกคร่อมความตา้ นทานขณะใด ๆ = iR Vm = แรงเคลอื่ นไฟฟ้ าสูงสุดของเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ า

เครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้ าขณะใด ๆ เป็น V = Vmsinωt ความต่างศกั ยต์ กคร่อมตวั ตา้ นทานขณะใด ๆ มีค่าเทา่ กบั แรงเคล่ือนไฟฟ้ าของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ าเสมอ ดงั น้นั VR = V = Vmsinωt iR = Vmsinωt i = Vmsinωt/R แต่ sinωt มีคา่ มากท่ีสุดเท่ากบั 1 ดงั น้นั กระแสไฟฟ้ าท่ีมากท่ีสุดในวงจร (Im)จะมีคา่ เท่ากบั Vm/Rจึงสามารถเขยี น สมการของกระแสไฟฟ้ าที่เวลาใด ๆ ไดเ้ ป็น i=Imsinωtซ่ึงถา้ เขียนกราฟความตา่ งศกั ยท์ ่ีคร่อมตวั ตา้ นทานและกระแสทไ่ี หลผา่ นตวั ตา้ นทานเทียบกบั เวลาจะไดด้ งั น้ี

จากรูปสรุปไดว้ า่ \"กระแสที่ผา่ นตวั ตา้ นทานมีเฟสตรงกนั กบั ความตา่ งศกั ยท์ ่ีคร่อมตวั ตา้ นทาน\" วงจรไฟฟ้ าทมี่ ตี วั เกบ็ ประจุ (C) อย่างเดียว

พิจารณาวงจรไฟฟ้ าทม่ี ีเพยี งแหลง่ กาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั และตวั เหนี่ยวนาตวั เดียวจะพบวา่ กระแสที่ไหลผา่ นวงจร เป็ นตามสมการ ให้ i = กระแสไฟฟ้ าขณะใด ๆ ในวงจร C = คา่ ความจขุ องตวั เกบ็ ประจุ VC = ความต่างศกั ยท์ ่ีตกคร่อมตวั เกบ็ ประจขุ ณะใด ๆ ความต่างศกั ยท์ ่ีตกคร่อมตวั เกบ็ ประจขุ ณะใด ๆ มีค่าเท่ากบั แรงเคล่อื นไฟฟ้ าของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ าเสมอ ดงั น้นั VC = V = Vmsinωt q/C = Vmsinωt q = (CVm)sinωt dq/dt = d(CVm)sinωt / dt i = (ωC)Vm cosωt = Vm/(1/ωC)cosωt ปริมาณ 1/ωC เรียกวา่ ความตา้ นทานแห่งความจุ (capacitive reactance)เขียนแทนดว้ ย XC ดงั น้นั i = Vm/XC cosωt = Imsin(π/2+ωt) i = Imsin(ωt+π/2) ซ่ึงถา้ เขยี นกราฟความตา่ งศกั ยท์ ่ีคร่อมตวั ตา้ นทานและกระแสทีไ่ หลผา่ นตวั ตา้ นทานเทียบกบั เวลาจะไดด้ งั น้ี จากรูปจะเห็นไดว้ า่ กระแสไฟฟ้ า i นาหนา้ ความตา่ งศกั ย์ VC เป็นมมุ π/2 หรือ 90° หรือตามหลงั ความต่างศกั ยก์ ระแส เป็นมุม 90° มมุ ระหวา่ งกระแสและความตา่ งศกั ยใ์ นวงจรน้ี เรียกวา่ มมุ เฟส (phase angle) เขียนแทนดว้ ยสัญลกั ษณ์ Φ